任务三 数据库系统的结构

一、数据库系统模式

1. 基础概念：型 vs 值

概念	定义	示例
型	对某一类数据的结构和属性的说明	学生记录型：(学号, 姓名, 性别, 系别, 年龄, 籍贯)
值	型的一个具体赋值	记录值：(201315130, 张晓明, 男, 计算机系, 19, 河北省石家庄市)

2. 模式 vs 实例

概念	定义	特点	关系
模式	数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述	• 仅涉及型的描述• 一个数据库只有一个模式• 稳定不变（反映数据结构及联系）	模式可以有多个实例
实例	模式的一个具体值	• 涉及具体的数据值• 同一模式可有多个实例• 动态变化（反映数据库某一时刻状态）	实例是模式的具体化

3. 示例说明

• 学生选课数据库模式：包含学生记录、课程记录、学生选课记录的结构定义
• 2023年实例：包含该年所有学生记录（如10000条）、课程记录、选课记录
• 实例变化：2022年实例 ≠ 2023年实例；同一年的实例也会随时间变化（学生退学、转系等）

---

二、数据库系统的三级模式

1. 三级模式概述

• 共同特征：大多数DBMS采用三级模式结构（早期微机小型系统除外）
• 三级构成：外模式 - 模式 - 内模式
• 提供功能：两级映像功能

2. 三级模式详细说明

模式	别名	描述	特点
模式	逻辑模式	全体数据的逻辑结构和特征描述，所有用户的公共数据视图	• 中间层• 不涉及物理存储和应用程序细节• 一个数据库只有一个• 基于数据模型，统一所有用户需求
外模式	子模式/用户模式	用户能看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征描述	• 面向特定应用• 模式的子集• 一个数据库可以有多个• 保证安全性（用户只能访问对应外模式数据）
内模式	存储模式	数据物理结构和存储方式的描述，数据在内部的组织方式	• 最底层• 一个数据库只有一个

3. 外模式重要特性

• 多样性：不同用户可有不同外模式（结构、类型、长度、保密级别等均可不同）
• 复用性：同一外模式可为某用户的多个应用系统使用
• 单一性：一个应用程序只能使用一个外模式

---

三、数据库系统的二级映像功能与数据独立性

1. 二级映像概述

• 目的：实现三级模式之间的联系和转换
• 两层映像：
  1. 外模式/模式映像
  2. 模式/内模式映像
• 核心作用：保证数据的逻辑独立性和物理独立性

2. 外模式/模式映像

• 解决：外模式与模式之间的映射对应关系
• 挑战：不同外模式可能存在冲突和不一致（如单位不同：厘米vs英寸）
• 处理：
  1. 集成所有外模式，映射为统一模式
  2. 规范化冲突，协调构造全局模式
• 结果：建立多外模式到模式的确定对应关系

3. 模式/内模式映像

• 解决：数据库模式存储到不同存储系统的问题
• 内容：数据存储具体方式（数据类型存储定义、文件组织方式、索引实现等）
• 特点：
  • 同一模式可有不同映射（基于不同物理设备）
  • 对用户透明（只需关注数据访问，无需关心物理设备映射）

4. 数据独立性

独立性类型	定义	实现机制	优点
逻辑独立性	数据库模式改变时，外模式不需调整	修改外模式/模式映像	• 降低开发维护成本• 扩大数据应用范围• 提高适应性
物理独立性	物理存储方式改变时，模式不需修改	调整模式/内模式映像	• 应用程序不受影响• 进一步提高适应性

5. 数据独立性的重要性

• 分离数据与应用程序：通过映像保证联系
• 显著优点：数据库系统最显著的特点之一
• 合称：数据独立性 = 逻辑独立性 + 物理独立性

---

知识体系总览与逻辑关系

三级模式结构图

应用程序1 → 外模式1 → 外模式/模式映像
应用程序2 → 外模式2 →        模式       → 模式/内模式映像 → 内模式（物理存储）
应用程序3 → 外模式3

核心逻辑链条

数据抽象：外模式（用户视图） ↔ 模式（全局逻辑） ↔ 内模式（物理存储）
      ↓                ↓
映像机制：外模式/模式映像   +   模式/内模式映像
      ↓                ↓
独立性：逻辑独立性         +   物理独立性

关键要点总结

1. 型值分离：模式描述型，实例是具体值
2. 三级分层：用户层（外模式）→ 逻辑层（模式）→ 物理层（内模式）
3. 二级映像：连接三级模式的桥梁
4. 双重独立：逻辑独立保护应用，物理独立适应存储变化
5. 安全基础：外模式限制用户访问范围，保障数据安全

任务三构建了数据库系统的核心架构理论，解释了数据库如何通过分层和映像实现数据独立性，这是数据库系统优于文件系统的重要理论基础。